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Variador de velocidad de un motor AC colocando valores prefijados en porcentajes

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FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCRICA Y ELECTRÓNICA

V ARIADOR DE VELOCIDAD DE UN MOTOR AC COLOCANDO VALORES PREFIJADOS EN PORCENTAJES

INFORME DE SUFICIENCIA

PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE:

INGENIERO ELECTRÓNICO

PRESENTADO POR:

CELSO YSIDRO GERÓNIMO HUAMÁN

PROMOCIÓN

1988-11

LIMA-PERU

(2)
(3)
(4)
(5)

PROLOGO CAPITULOI

INTRODUCCIÓN

1.1 Introducción

1.2 Reseña histórica de la electrónica

1.2.1 Los Precursores de las imágenes en la electrónica

1.3 La corriente

1.3.1 Corriente continua 1.3.2 Corriente alterna 1.4 Algunas definiciones

1.4.1 Frecuencia

1.4.2 Periodo

1.4.3 Voltaje pico a pico

1.4.4 VoltajeRMS

1.5 Las fuentes de alimentación simples 1.5.1 El transformador de alimentación 1.5.2 Los diodos rectificadores

1.5.3 Los condensadores de filtrado

1.5.4 Fuentes con transformador de secundario dividido 1.5.5 Fuente simple con rectificador de ½ onda

CAPITULOII

DI SPOSITIVOS Y COMPONENTES PREVIOS

2.1

2.1.1

Conociendo los componentes Pistas conductoras

1

2

2 2

3

4 4 5

6

6

6

6

7

7

8

8

9

9

11

(6)

2.1.2

Resistencias

18

2.1.3

Potenciometro

18

2.1.4

Bobina

18

2.1.5

Fusible

18

2.1.6

Transformador

19

2.1.7

Capacitor

19

2.1.8

Capacitor electrolítico

19

2.1.9

El cristal

19

2.2

Los diodos

20

2.2.1

Estructura de un cristal

22

2.2.2

Tipos de diodos

23

2.2.2.1

Diodos Baritt

23

2.2.2.2

Diodo de Avalancha

23

2.2.2.3

Diodo Varicap

23

2.2.2.4

Diodo de Conmutación

24

2.2.2.5

Diodo Rectificador

24

2.2.2.6

Diodo Semiconductor

24

2.2.2.7

Diodo de Señal

24

2.2.2.8

Diodo de Unión

24

2.2.2.9

Diodo Esaki

24

2.2.2.10

Diodo

gunn

24

2.2.2.11

Diodo Impatt

24

2.2.2.12

Diodo Laser

25

2.2.2.13

Diodo Pin

25

2.2.2.14

Diodo Schottky

25

2.2.2.15

Diodo Schokley

25

2.2.2.16

Diodo Trappat

25

2.2.2.17

Diodo Tunel

26

2.2.2.18

Diodo Unitunel

26

2.2.2.19

Diodo Zener

26

2.2.2.20

Diodo Led

26

2.3

Fuente con puente de diodos (puente de graetz)

27

(7)

de diodos 28

2.5 Tecnología led/oled 29

2.6 Aplicaciones 31

2.7 Transistores 32

2.7.1 Tipo de transistores 33

2.7.1.1 Transistores bipolares 34

2.7.1.2 Transistor de efecto de campo (FET) 34

2.8 Electrónica de potencia 35

2.8.1 El Tiristor 35

2.8.2 El Triac 36

2.8.2.1 Descripción general 36

2.8.2.2 Construcción básica, símbolo, diagrama equivalente 37

2.8.2.3 Características tensión - corriente 38

2.8.2.4 Método de disparo 39

2.8.2.5 Forma de onda de los triac 41

2.8.2.6 Circuito practico de disparo 42

2.8.2.7 Circuito del gobierno de un motor con triac 44

2.8.2.8 Definiciones de los parámetros del triac 45

2.8.2.9 El triac y sus aplicaciones 46

2.8.2.10 Resumen 47

2.9 El timer 47

2.10 El contador binario 48

2.11 Convertidor BCD a siete segmentos 48

2.12 El display 48

2.13 El driver 48

2.14 El optoacoplador MOC 3041 49

2.15 El chip ICL 7107 49

2.16 El amplificador operacional 49

2.17 El regulador de voltaje 49

2.18 El motor monofásico 50

2.18.1 Fundamentos de operación de los motores eléctricos 50

(8)

CAPITULO 111 EL MICROCONTROLADOR 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 El Microcontrolador

Diferencia de un microcontrolador Recursos auxiliares

El procesador del microcontrolador Memoria de programa

Memoria de datos

Línea de entrada / salida para los controles de periféricos Programación de los microcontroladores

El interior del procesador Circuito antirrobotes

Entradas digitales optoacopladas

CAPITULO IV

ARRANQUE PREVIO DEL MOTOR

4.1 4.2 4.3 4.4 4.5

Arranque de motor alcanzando su máxima velocidad en un minuto Generador de sincronismo (funcionamiento)

Generador de tiempo de arranque El comparador

Circuito de alimentación de puerta del triac

CAPITULO V

SENSOR DE TEMPERATURA 5.1 Sensor de temperatura

CAPITULO VI

V ARIADOR DE VELOCIDAD

6.1

6.2

6.3

Control de la velocidad de un motor por porcentajes Colocación de los porcentajes

Exitación del triac para el arranque del motor

(9)

CONCLUSIONES ANEXO A

BIBLIOGRAFIA

(10)

Figura 1.2 Fuente con transformador de secundario dividido 10

Figura 1.3 Muestra de las tensiones en la fuente 10

Figura 1.4 Fuente con rectificador de media onda 11

Figura 1.5 Muestra de las tensiones presentadas en la fuente 12

Figura 1.6 Muestra de las corrientes del circuito 13

Figura 1.7 Muestra la tensión de rizado 14

Figura 2.1 Curvas características de los diodos mas comunes 20

Figura 2.2 Muestra de una juntura de huecos y electrones 21

Figura 2.3 Fotogra:fia de un cristal 23

Figura 2.4 Fuente con puente de diodos 27

Figura 2.5 Fuente simple simétrica con puente de diodos 28

Figura2.6 Fuente con regulador de voltaje 28

Figura 2.7 Algunos colores de diodos led 29

Figura2.8 Transistores de efecto de campo 34

Figura2.9 Símbolo del triac 36

Figura2.10 Diagrama equivalente del triac 37

Figura 2.11 Características tensión corriente en el triac 38

Figura2.12 Diagrama de disparo del triac 41

Figura 2.13 Formas de onda en un triac 41

Figura2.14 Circuito de disparo de un triac con UJT 42

Figura 2.15 Formas de onda en el disparo del triac 43

Figura2.16 Gobierno de un motor con un triac 44

Figura 2.17 Característica general de un triac 46

Figura 2.18 Regulador de voltaje usando el 7805 50

Figura 2.19 Presentación de un motor eléctrico 50

Figura 3.1 El esquema muestra los diferentes elementos que

(11)

Figura 3.2 Esquema que resalta la actuación del divisor de Frecuencia 55 Figura 3.3 Esquema simplificado de la sección dedicada al Control 56

Figura 3.4 Circuito de conexionado de un PIC 59

Figura 3.5 Arquitectura interna del PIC 61

Figura3.6 Gobierno del disparo de un TRIAC mediante el microcontrolador. 63

Figura4.1 Generador de sincronismo 65

Figura4.2 Generador de tiempo de arranque 66

Figura4.3 El comparador 67

Figura 4.4 Circuito de activación del TRIAC y encendido del motor 68

Figura 4 .. 5 Circuito completo del arranque 69

Figura 5.1 Circuito del sensor de temperatura 71

(12)
(13)

El propósito del presente informe de suficiencia es presentar un método práctico (basado en los microcontroladores) que permita implementar un moderno sistema de arranque de motores en nuestro gran mercado de productos de la rama blanca, que es donde mas se puede aplicar y donde es completamente aplicable.

Se demuestra que realizando una pequeña inversión las empresas del sector pueden realizar

estos cambios en los equipos que llevan motores y así ser mas competitivos y de un

producto netamente nacional, al menos en la implementación.

En la parte teórica, se utilizan los dispositivos de análisis necesanos para tener el

fundamento de la implementación y la aplicación de los dispositivos.

En la práctica se implementa el circuito y se toman las medidas para comprobar el efecto del proceso del circuito concluido.

Los alcances del presente informe involucran a varias disciplinas de la ingeniería tales como: electrónica, usada para el tratamiento de la señal de control; La informática,

utilizada para la programación del microcontrolador; la electricidad para la implementación del arranque del motor, y la mecánica para saber sobre el torque y la

fuerza del motor; lo que se puede ver en términos generales la nueva carrera de ingeniería: la Ingeniería Mecatrónica.

Las limitaciones encontradas para efectuar el informe, han sido la exactitud de las características de los chips de ultima tecnología que no se encuentra toda la información o

la información requerida para mayor conocimiento.

(14)

INTRODUCCION

1.1: INTRODUCCON:

La electrónica es una de las ciencias mas aplicable en el mundo actual, la que hace del mundo, un mundo de mayores comodidades entre la gente, ya que a la ves, la electrónica es una de las áreas de la ciencia que más ha evolucionado en los últimos tiempos. La complejidad de algunos de sus componentes nos llevaría a dedicarle al tema más de un manual en forma exclusiva. Pero no es la intención de éste formar a expertos en electrónica, sino dotarlos de los conocimientos básicos y necesarios para solucionar los problemas más comunes que se pueden encontrar en nuestra realidad, en nuestra sociedad y en el país.

1.2: RESEÑA HISTORICA DE LA ELECTRONICA

(15)

El periodo de desarrollo va desde 1928 hasta la fech� cuando continúan perfeccionándose diversos ingenios y prodigios, entre los cuales debe mencionarse la telecomunicaciones, que salvo muchos obstáculos iniciales, llegando a la transmisión total de audio video y datos.

Apenas inventado el telégrafo en el primer decenio del siglo XIX, se pensó en transmitir por alambres no solo sonidos, sino también imágenes. El propósito no era fácil de lograr. Una palabra se compone de sílabas y la sílaba de letras, de manera que la descomposición necesaria para transmitir una después de la otra las partes constitutivas de un mensaje oral no presenta dificultades. El cerebro "suma" los sonidos que recibe y obtiene el pensamiento completo. Parecía imposible hacer lo mismo para transmitir un mensaje visual. Los primeros investigadores pensaron, no obstante, que ello podía hacerse descomponiendo la imagen y enviándola por partes a un receptor, donde debía ser reconstruida para que el ojo humano la viera completa. Los fragmentos debían llegar a la pantalla receptora con suficiente rapidez para que el espectador tuviera la sensación de ver la imagen de una sola vez, debido a que en la retina la imagen no se borra inmediatamente después de capta� sino que permanece un breve lapso. Esta "permanencia retiniana", que en el fondo es un defecto en la visión human� es la que ha hecho posible la televisión. Los mismos principios que trataron de aplicar los investigadores del siglo pasado son los que ahora se aplican, aunque muy perfeccionados y afinados. En el moderno receptor de TV nos parece ver la pantalla iluminada globalmente por la imagen, pero eso no ocurre en realidad. Nunca hay iluminación más de un punto, con un pequefiísimo fragmento de la imagen transmití� y luego otro punto, y otro y otro y así sucesivamente, en una vertiginosa sucesión, dando al espectador la sensación de que está viendo imágenes completas.

1.2.1: LOS PRECURSORES DE LAS IMÁGENES EN LA ELECTRONICA

El primer aparato capaz de transmitir imágenes a una distancia apreciable fue ideado por el

abate (eclesiástico de ordenes menores) Giovanni Caselli, de Sie� en 1855, lo denominó

(16)

El sistema era simple y muy ingenioso. Quien deseaba enviar un mensaje escribía con una

pluma untada con tinta aislante, sobre una delgada lámina de metal; ésta era colocada en el

aparato transmisor y "explorada" por una punta de platino que la recorría de arriba abajo y de derecha a izquierda. Cuando la punta tocaba con lo escrito, se interrumpía el contacto

eléctrico entre la punta y la superficie metálica, debido a la condición aislante de la tinta.

Por medio de un circuito eléctrico esta interrupción era transformada en una corriente eléctrica que se transmitía a lo largo de la línea hasta el aparato receptor, que estaba

construido por una hoja impregnada de cianuro de potasio.

Sobre esta se desplazaba una punta de diamante con movimiento exactamente sincrónicos

con aquellos de la punta exploradora del aparato transmisor. Una y otra se encontraban

siempre en la misma posición respecto a la lámina metálica o a la hoja de papel, ambas de igual formato. Si una se movía en París la otra se movía exactamente igual en Lyon.

La corriente eléctrica opera una reacción química sobre el cianuro de potasio, que es incoloro, transformándolo en color azul. De esta manera, mientras la punta receptora

recibía corriente eléctrica, tomaba azul la superficie del papel que estaba tocando; cuando

la corriente eléctrica se interrumpía, la superficie del papel tocada por la punta, quedaba blanca. La escritura se reproducía en blanco mediante este procedimiento en la hoja

receptora, cada vez que la punta de la oficina transmisora entraba en contacto con la tinta aislante en que estaba escrito el mensaje.

1.3: LA CORRIENTE

Para esto, empezaremos describiendo, que es la corriente eléctrica y los dos tipos que se utilizan, ya que para los circuitos electrónicos se utiliza corriente continua y para el circuito de potencia se utiliza la corriente alterna.

1.3.1: LA CORRIENTE CONTINUA (C.C.)

Es el resultado del flujo de electrones (carga negativa), por un conductor (alambre de cobre casi siempre), que va del terminal negativo al terminal positivo de la batería, pasando por una resistencia o una carga que puede ser un foco o una carga cualquiera.

(17)

La cantidad de carga de electrónes es muy pequeña. Una unidad de carga muy utilizada es

el Coulomb (mucho más grande que la carga de un electrón).

1 Coulomb = la carga de 6 280 000 000 000 000 000 electrones ó en notación científica:

6.28 x 1018 electrones

Para ser consecuentes con nuestro gráfico y con la convención existente, se toma a la corriente como positiva y ésta circula desde el terminal positivo al terminal negativo.

Lo que sucede es que un electrón al avanzar por el conductor va dejando un espacio

(hueco) positivo que a su vez es ocupado por otro electrón que deja otro espacio (hueco) y así sucesivamente, generando una serie de huecos que viajan en sentido opuesto al viaje de

los electrones y que se puede entender como el sentido de la corriente positiva que se conoce.

La corriente es la cantidad de carga que atraviesa la lámpara en un segundo, entonces

Corriente = Carga en coulombs / tiempo ó I

=

Q / T

Si la carga que pasa por la lámpara es de 1 coulomb en un segundo, la corriente es de 1

ampeno

Nota: Coulomb también llamado Coulombio

1.3.2: LA CORRIENTE ALTERNA

La diferencia de la corriente alterna con la corriente continua, es que la corriente continua circula sólo en un sentido.

La corriente alterna (como su nombre lo indica) circula, durante un tiempo en un sentido y después, en sentido contrario, volviéndose a repetir el mismo proceso en forma constante.

Este tipo de corriente es la que llega a nuestros domicilios y la usamos para alimentar la

TV, el equipo de sonido, la lavadora, la refrigeradora, los diferentes equipos eléctricos y

(18)

En este caso se puede analizar que el voltaje es alterno y tenemos que la magnitud del voltaje de una señal varia primero hacia arriba y luego hacia abajo ( de la misma forma en que se comporta la corriente) y nos da una forma de onda llamada: onda senoidal.

El voltaje varia continuamente, y para saber que voltaje tenemos en un momento específico, utilizamos la fórmula; V= Vp x Seno (0) donde Vp = V (voltaje pico) es el valor máximo que obtiene la onda y

e

es una distancia angular y se mide en grados

Aclarando un poco esta última parte y analizando la forma de la señal, se ve que la onda senoidal es periódica (se repite la misma forma de onda continuamente)

Sí se toma un período de ésta (un ciclo completo), se dice que tiene una distancia angular de 360º·

Y con ayuda de la fórmula que ya dimos, e incluyendo 0 ( distancia angular para la cual queremos saber el voltaje) obtenemos el voltaje instantáneo de nuestro interés.

Para cada distancia angular diferente el valor del voltaje es diferente, siendo en algunos casos positivo y en otros negativo ( cuando se invierte su polaridad.)

1.4: ALGUNAS DEFINICIONES PREVIAS

1.4.1: FRECUENCIA

Si se pudiera contar cuantos ciclos de esta señal de voltaje suceden en un segundo tendríamos, la :frecuencia de esta señal, con la unidad de ciclos / segundo, que es lo mismo que Hertz o Hertzios.

1.4.2: PERIODO

El tiempo necesario para que un ciclo de la señal anterior se produzca, se llama período (T) y tiene la fórmula: T

=

l / f, o sea el período (T) es la inversa de la frecuencia (f).

1.4.3: VOL TAJE PICO-PICO

(19)

diferencia entre estos dos voltajes es el llamado voltaje pico-pico (Vpp) y es igual al doble del Voltaje Pico (Vp)

1.4.4: VOLT AJE RMS

Se puede obtener el voltaje equivalente en corriente continua (Vrms) de este voltaje alterno

con ayuda de la fórmula Vrms = 0.707 x Vp. Este valor de voltaje es el que obtenemos

cuando utilizamos un voltímetro.

Si se prepara un voltímetro para que pueda medir voltajes en corriente alterna (a.c.) y medimos la salida en un tomacorriente de una casa, lo que vamos a obtener es: 11 O Voltios o 220 Voltios aproximadamente, dependiendo del país donde se realiza la medición.

El voltaje que leemos en el voltímetro es un VOLTAJE RMS de 110 o 220 Voltios.

¿Cuál será el voltaje pico (Vp) de esta señal?

Revisando la fórmula del párrafo anterior despejamos Vp.

Vp = Vrms / 0.707

* Caso Vrms = 110 V, Vp = 110 / 0.707 = 155.6 Voltios.

*

Caso Vrms = 220 V, Vp = 220 / 0.707 = 311.17 Voltios

1.5: LAS FUENTES DE ALIMENTACIÓN SIMPLES.

Se entiende por fuente de alimentación un sistema electrónico que suministra las tensiones

y corrientes necesarias para el funcionamiento de los circuitos electrónicos. Por tanto, las fuentes de alimentación son sistemas suministradores de energía eléctrica.

(20)

Red

eléctrica

-

Transformador

Rectificador

-Figura 1.1 diagrama de una fuente

Filtro pasa bajos

Tensión de

alimentación

El bloque transformador, en caso de existir, estará formado por el componente de nombre análogo. El bloque rectificador está formado típicamente por diodos, y puede ser media onda o de doble onda. Por último, el bloque de filtrado lo constituye un condensador de gran capacidad o una asociación de condensadores y bobinas o resistencias.

1.5.1: EL TRANSFORMADOR DE ALIMENTACIÓN

Lo normal es que sean transformadores reductores, con un primario único y uno o varios

secundarios. Las características más importantes de un transformador de alimentación son:

O Tensión del secundario o secundarios: viene expresada en tensión eficaz.

D Potencia máxima entregable por los secundarios: expresada en VA (voltamperios).

D Resistencia de primario y secundarios: expresada en ohmios, a la temperatura de 25ºC.

D Perdidas en el núcleo y en los bobinados: expresada en W (vatios).

D Corriente consumida por el transformador sin carga conectada: expresada en mA (miliamperios).

Otros datos que suelen aparecer en las hojas de características de los transformadores son, por ejemplo, la eficiencia energética, la regulación de carga, etc., claro está, de las dimensiones fisicas del mismo.

1.5.2: LOS DIODOS RECTIFICADORES

Deben ser diodos con unas características especiales. De hecho, existe un subgrupo de diodos llamados así, rectificadores. Los diodos rectificadores deben poder ser capaces de soportar de forma continua valores de corriente que, según qué aplicaciones, puede llegar a ser elevada o muy elevada. Además, deben aguantar picos de corriente varias veces

(21)

JN4007. Tiene aplicación en fuentes de alimentación de pequeña potencia de salida. Sus principales características son:

• Picos repetitivos de tensión inversa: 1 000V máximo.

• Picos no repetitivos de tensión inversa: 1200V máximo.

• Tensión inversa máxima de forma continua: 700V.

• Corriente nominal directa máxima: 1 A.

• Picos de corriente directa no repetitivos: 30A máximo.

1.5.3: LOS CONDENSADORES DE FILTRADO

Los condensadores que se usan son de tipo electrolítico, con un valor de capacidad que

como mínimo suele ser de 1 000uF. Deben poder soportar al menos una tensión doble de la

tensión de pico que entregue el transformador. Así mismo, deben elegirse condensadores

con poca corriente de fuga, ya que de lo contrario se tendría una disipación de potencia

apreciable en dicho elemento, provocando que se calentase y, si alcanza temperaturas

elevadas, llegado el caso estallase.

También es deseable (imprescindible si se trata de la fuente primaria de un sistema de

alimentación conmutado) elegir condensadores con una resistencia serie equivalente (ESR)

pequeña, ya que ello posibilitará que la fuente pueda entregar picos elevados de corriente

ante demandas de la carga.

1.5.4: FUENTE CON TRANSFORMADOR DE SECUNDARIO DIVIDIDO

En esta fuente se usa un transformador con doble secundario o dividido. El secundario se

comporta en este caso como un divisor de tensión inductivo, de tal forma que tomando el

punto central como referencia de potenciales se tendrá en cada extremo ondas senoidales

iguales pero desfasadas 180° una respecto a la otra. Este hecho se aprovecha para montar dos rectificadores de media onda, uno en cada extremo del secundario. la tensión

rectificada de ambos rectificadores se suma sobre la carga, produciendo la rectificación de

(22)

Tensión dered

Tr 01

---o+

L.. __

º_

2

______

T_..,._c __

o

T

-ensión de

± .

salida

Figura 1.2 Fuente con transformador de secundario dividido.

La gráfica con sus tensiones en cada punto es la mostrada en la figura:

La onda azul es la correspondiente a la tensión de salida de la fuente. En este caso

suponemos también conectada una resistencia de carga. Por otro lado, las ondas roja y verde corresponden a la tensión entregada por cada extremo del secundario del transformador. Se puede apreciar perfectamente el desfase de 180º al que hacíamos referencia antes.

20.00V

�---�---�---�---�---·20.00 V ¡--,-��-��-'-+�-��+-'-��-1-��....,__,l--'-��-1--��- _L.LLL _..1....,_l

O.OOOms 10. ooms 20.ooms 30.00ms 40.00ms 50.00ms 60.COms 70.00ms so.ooms

Figura 1.3 Muestra de las tensiones en la fuente

En esta fuente los diodos deben soportar una tensión inversa máxima de dos veces la

(23)

su secundario ( esta es la forma de expresar el hecho de que el secundario está dividido,

siendo en este caso cada parte del mismo de 12V eficaces) los diodos deberán aguantar una

tensión inversa de unos 34V como mínimo.

En cuanto a la corriente máxima de pico que pueda tener que llegar a soportar uno de los

diodos (recordemos, el primer pico de carga del condensador, que en este caso puede

circular por un diodo o por el otro, y no hay forma de saber, a priori, por cuál) su cálculo es

idéntico al caso del rectificador de media onda.

El condensador se calculará de la misma forma que en el rectificador de media onda, pero

teniendo en cuenta que la frecuencia con la que éste se carga y descarga es doble que en

dicho rectificador, o sea, tendremos que tomar una frecuencia de valor 1 OOHz. Por esto

último, para conseguir tensiones de rizado similares al caso de media onda necesitaremos

condensadores de la mitad de capacidad para el rectificador de doble onda.

1.5.5: FUENTE SIMPLE CON RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA

El esquema base que adoptaremos para el estudio de este tipo de fuentes es el siguiente:

Tr

o

o---� ,---o+

Red

eléctrica Vp Vs

e

Tensión de alimentación

Figura 1.4 Fuente con rectificador de media onda.

pequefio en el secundario, Vs. Tanto en primario como en secundario la tensión será de

tipo alterna senoidal. La tensión de pico o máxima presente en El transformador Tr

reducirá la tensión del primario, Vp, a una de valor más el secundario, Vmáx, será por

tanto:

(24)

La tensión máxima en extremos del condensador, Ve máx, será igual a Vmáx menos 0.7V,

que es la tensión de conducción del diodo rectificador D. O sea,

Ve máx = Vmáx- 0.7V

Las formas de onda en el circuito, suponiendo un transformador con secundario de 12V y

una carga conectada a la fuente, serán similares a las siguientes:

La onda roja sería la correspondiente a la tensión alterna senoidal que entrega el secundario del transformador. La señal azul es la presente en extremos del condensador de filtro. En ella se pueden apreciar perfectamente las cargas y descargas de este condensador ( carga a través del diodo, descarga a través de la resistencia de carga conectada a la fuente).

También se puede apreciar la diferencia de O. 7V existente entre los picos positivos de la

tensión del secundario y la tensión máxima en extremos del condensador. La onda verde es la correspondiente a la tensión en extremos del diodo rectificador. Se puede apreciar que

dicha tensión polariza al diodo en sentido inverso la mayoría del tiempo y que alcanza un valor de prácticamente el doble de V e máx. La polarización directa sólo se produce

durante la carga del condensador.

20.00V

,---�---r---�--�--�---�--�---40.00 V ���---¡---��"---f-��_,_-t---'-_,_�-1--'--L--'-�-_,__.___.__,_+-<-_,_�-1-...__,__,_-'-+, � O.OOOms 10.00rns 20.ooms 30.00ms 40.00ms 50.00ms 60.00ms 70.00ms 80.00ms

(25)

Lo que aparece a continuación son las formas de las corrientes que circulan por el circuito

(seguimos suponiendo una resistencia de carga conectada):

En esta ocasión la onda roja corresponde a la corriente instantánea que atraviesa al diodo rectificador. Sólo circula corriente por él prácticamente durante la carga del condensador.

El diodo tendrá que ser capaz de soportar estos picos repetitivos de corriente, cuyo valor

máximo dependerá de forma directa del valor de la capacidad del condensador y de forma

inversa del valor óhmico de la resistencia de carga.

En esta ocasión la onda roja corresponde a la corriente instantánea que atraviesa al diodo

rectificador. Sólo circula corriente por él prácticamente durante la carga del condensador.

El diodo tendrá que ser capaz de soportar estos picos repetitivos de corriente, cuyo valor

máximo dependerá de forma directa del valor de la capacidad del condensador y de forma

inversa del valor óhmico de la resistencia de carga.

1-Oms 5.0COms 10.COms 15.00ms 20.COms

Figura 1.6 Muestra de las corrientes del circuito.

La onda verde es la correspondiente a la corriente que atraviesa a la resistencia de carga.

(26)

la corriente por la carga decrece está siendo suministrada por el condensador, que se está descargando sobre ella.

La onda azul es la de la corriente absorbida ( durante la carga) o entregada ( durante la

descarga) por el condensador de filtro, por eso tiene una parte positiva (carga) y otra

negativa al circular la corriente en sentido contrario (descarga). La corriente media, o

continua, que "circula" por el condensador es aproximadamente cero (el área bajo la parte

positiva de la gráfica de corriente es prácticamente igual al área que encierra la parte

negativa de la misma gráfica), no llegando a serlo completamente debido a la corriente de

fuga del condensador. Tendremos entonces que la práctica totalidad de la corriente

contínua que atraviesa al diodo rectificador circulará por la carga. Por otro lado, la tensión

continua en extremos de la carga, o sea, a la salida de la fuente de alimentación, viene dada

por: 17.50V 15.00V 12.50V 10.00V 7.500 V 5.000 V 2.SOOV O.OCO V -2.500 V ,....

-�

-....

-f1 1 l 1

Vdc � Ve máx - Vriz 2

l

¡ 1

1

1--...

....

1--...

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I

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1 1

Tensión dE salida de 1,

1 1 1 1 1 1 1 1 J_j__L_

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1

--....,__¡

1

----4-/

1

1 1 1 1

1

1

1

i

1

1

1 1 _J__j__LJ_�_'._l

1 1 1

O.OOOms 1 o.ccms 20.00ms 30.00ris 40.00ms 50.00ms 60.COms 70.CCms 60.CCms

Figura 1. 7 Muestra la tensión de rizado.

siendo Vriz la llamada tensión de rizado (pico a pico). Esta tensión es una componente

alterna residual que tiene una frecuencia igual a la de la tensión de red rectificada ( en

(27)

queda superpuesta a la tensión continua de salida y que está provocada por las cargas y

descargas del condensador de filtro:

El valor de la tensión de rizado depende de forma inversa de la capacidad del condensador

de filtro, del valor óhmico de la resistencia de carga y del valor de la frecuencia de la

tensión de red rectificada. Esto es así porque estos son los factores que influyen sobre la

carga y descarga del condensador de filtro. En concreto, la expresión que liga estos

parámetros es la siguiente:

ldc Vriz=--­

FxC

donde V riz es la tensión de rizado pico a pico en extremos de la carga, F es la frecuencia

de la tensión de red rectificada e ldc es La corriente media o continua que consume la

resistencia de carga,

Vdc ldc=---­

Rcarga

Cuando se selecciona un diodo para montar este tipo de fuentes su corriente nominal

directa máxima tendrá que ser mayor que ldc.

Otro parámetro a tener en cuenta en la elección del diodo rectificador son los picos de

corriente directa no repetitivos. Por el diodo circularán picos de corriente que serán

repetitivos, pero hay, en condiciones normales, un pico de corriente que no se repite y

además es el que mayor valor de corriente alcanza. Se trata del pico de corriente

correspondiente a la primera carga del condensador de filtro. El valor de corriente que

alcance este pico dependerá del momento de conexión a la red. Si la conexión se produce

durante un paso por cero de la tensión de red dicho valor se puede calcular, de forma

aproximada (siempre que la resistencia de carga no llegue a descargar al condensador

excesivamente durante el periódo de bloqueo del diodo) mediante la expresión

Vmáx- 1V

(28)

donde Fred es la frecuencia de la tensión de red y Rtd es la suma de la resistencia del

secundario del transformador y la resistencia del diodo en conducción, aunque

normalmente la resistencia del diodo se puede despreciar en esta suma.

En caso de que la conexión a red ocurra durante un máximo de dicha tensión se estará ante

el peor caso posible, siendo el valor que toma el pico de corriente el máximo posible:

1 primer pico de carga

=

V máx- 1V

Rtd

Entonces, el valor del primer pico de corriente estará comprendido entre los dos valores

anteriores.

·Tras este primer pico de corriente se irán sucediendo otros muchos ( o sea, de forma

repetitiva) pero estos últimos no llegarán a alcanzar el valor de corriente del primero si se

respeta lo indicado más arriba De hecho, si se eligió correctamente el valor del

(29)

DISPOSITIVOS Y COMPONENTES PREVIOS

2.1: CONOCIENDO LOS COMPONENTES

Los componentes a los que dedicaremos nuestra atención serán principalmente aquellos

relacionados con el manejo de la corriente, que generalmente son los que con mayor

:frecuencia se dañan a raíz de su actividad. En este rubro entran los transistores,

capacitores, resistencias, diodos, fusibles, transformadores y algunos circuitos integrados.

Por lo general, un ejemplo de la mayoría de los periféricos que rodean a la PC son

controlados por un microchip propio, programado para tal propósito. Eso permitió el gran

ahorro de espacio que significa comprimir millones de transistores en tan sólo un par de

milímetros cuadrados. Pero su función suele ser tan específica que resulta casi imposible

analizar su funcionamiento sin recurrir a un manual que nos informe del papel que cumple

cada una de sus cientos de patas en algunos casos.

El problema surge en la obtención de dicho manual, ya que suele ser información que los

fabricantes reservan sólo para los service autorizados, con el agregado de que muchas

veces el reemplazo puede llegar a ser hasta más costoso que una unidad nueva completa.

Así y todo, todavía se utilizan muchísimos componentes convencionales, más fáciles de

analizar y reemplazar, y que suelen ser los responsables del ochenta por ciento de las

averías típicas. A su vez, la verificación de éstos nos puede llevar por descarte a una mayor

seguridad respecto del inminente reemplazo de un chip.

2.1.1: PISTAS CONDUCTORAS

Todas las partes de un circuito deben ser conectadas a fin de garantizar su correcto

funcionamiento. Para esto son montadas sobre circuitos impresos que disponen de

(30)

tendremos las conecciones superficiales de otros componentes y las pistas de cobre conductoras que las conectan entre sí. Es bastante frecuente encontrar en cualquier dispositivo una o más placas con cientos de pistas de distintos tamaños y longitudes. Ellas son responsables de un gran porcentaje de las fallas típicas, dado a veces del grosor ínfimo que posee, son muy propensas a sufrir cortes derivados de pequeñas fisuras que puedan provocarse a partir de golpes o torceduras.

2.1.2: RESISTENCIA

Es uno de los componentes mas simples en su estructura y su funcionamiento. La función que cumple en un circuito es el de limitar el paso de la corriente con distintos fines específicos. En varios casos se usa como protección antes supuestos golpes de tensión. Ante estas circunstancias, la resistencia se abre y corta el paso de la corriente antes de que llegue en exceso a la salida de algún circuito integrado importante.

2.1.3: EL POTENCIOMETRO

Los potenciómetros y los reóstatos se diferencian entre si, entre otras cosas, por la forma en que se conectan. En el caso de los potenciómetros, estos se conectan en paralelo al circuito y se comporta como un divisor de tensión.

2.1.4: BOBINA

La bobina y el transformador son componentes muy simples en cuanto a su ensamblaje. Por lo general, constan de uno o varios núcleos envueltos por un alambre de cobre de cuya longitud y grosor dependerá su función específica Los extremos de cada uno de los alambres serán los puntos de contacto utilizados para ser unidos a la plaqueta. El objetivo de esto es sacar provecho de los campos magnéticos que genera la corriente en su paso por las bobinas

2.1.5: FUSIBLE

(31)

interrumpiendo dicho suministro. De esta manera se protege el resto de los componentes

ante excesos inesperados.

2.1.6: TRANSFORMADOR

Esta compuesto por dos bobinados enfrentados uno denominado pnmano y otro

secundario. El campo magnético que genera la corriente a su paso por el bobinado

primario provoca un efecto inductivo sobre el secundario que emite un flujo de

corriente de menor valor. Esto es muy utilizado en fuentes de alimentación, para

convertir los 220 o 11 Ov de la corriente de línea al valor que necesita el dispositivo para

el cual fue diseñado. Hoy en día, la utilización de fuentes conmutadas, que utilizan

componentes mucho mas precisos, seguros y livianos, hacen menos frecuente el uso de

transformadores.

2.1.7: CAPACITOR

El capacitor es un dispositivo que consta básicamente de dos placas metálicas, separadas

por un material aislante llamado dieléctrico, que pueden estar conformados de muchas

maneras. Su función es cargarse de energía para luego liberarla en forma paulatina.

Aquellos que utilizan electrolito como aislantes son llamados capacitores electrolíticos.

Son muy usados en fuente de alimentación y manejo de corriente y , por lo general,

causan mas de una falla característica.

2.1.8: CAP ACITOR ELECTROLÍTICO

Recibe su nombre gracias al material que hace las veces de aislante, el cual es un ácido

en estado liquido llamado electrolito.

2.1.9: EL CRISTAL

El cristal es un dispositivo que -tiene como finalidad oscilar a determinadas frecuencias

(32)

algunos circuitos donde se reqmere una determinada frecuencia. Generalmente estos dispositivos son de cuarzo, por la mayor precisión que tienen.

2.2: DIODOS

120

1.

o o

80 60 40

JTR 20

Genmmium

(Ge)

Si�GaAs

f

0.2 0.4 -1

µA

Ge l Regiónde

r n1ptura inversa

-2 �tA

-3 p,A -4 �LA

Silioon (Si)

0.6 0.8

Gallitnn arsenide

(GaAs)

l .O 1.2 VD(V)

Figura 2.1 Curvas características de los diodos más comunes

Para reswnir las características de un diodo, podemos decir que se trata de un componente que admite el paso de la corriente en sólo un sentido. Es por esto por lo que, al contrario de las resistencias, posee una polaridad que se debe respetar. Ésta se encuentra bien marcada en la cápsula del diodo, siendo el polo positivo el marcado con una línea o punto.

Un cristal pn. Dispositivo que conduce fácilmente cuando presenta polarización directa y muy poco cuando tiene polarización inversa.

Tomemos una juntura y apliquémosle una tensión como se indica en la figura:

(33)

tipo 'p'. Una vez realizada la conexión, la f.e.m. de la pila empuja a los electrones libres del

silicio tipo 'n' hacia la juntura y hace lo propio con los huecos en el tipo 'p'.

Ahora bien, al existir una zona con cargas netas Quntura), habrá también un campo

eléctrico. Este campo electrico ofrece una barrera de potencial que debe ser superada por

cualquier portador que quiera atravesarla. Dicha barrera toma un valor de

aproximadamente O, 7 Voltios para el Silicio y 0,3 para el Germanio

Esta barrera deberá ser superada por cualquier portador que trate de atravesarla, de esta

forma, si la f.e.m. de la pila del dibujo es levemente superiror a 0,7 Voltios (o 0,3 en su

debido caso) los electrones y los huecos podrán atravesar la juntura y recombinarse, es

decir, los electrones ocupan el lugar de los huecos. De esta forma se establece una

corriente a través del diodo.

0 Hueco (portado móvil)

0 Electrón (portador móvil)

Silicio tipo 1rr

• Núcleo positivo (fijo)

• Núcleo Negativo (fijo)

Silicio tipo 'p'

0 0 0 "'E-O O O O

•••••

0 0

°

0

>

•••••

0 o o

•••••

•••

Zona de deplexióu

ID

(34)

El valor de la misma es considerablemente alto ya que sólo se opone a su paso la barrera de

potencial antes descrita y una resistencia propia del silicio de unos pocos ohms.

Se dice entonces que el diodo está polarizado "en directa" y dado sus características de

conductividad puede ser considerado como un conductor.

Ahora la pila se invierte con respecto a la posición anterior. Obsérvese lo que pasa los electrones del material tipo 'N' son atraídos por el polo positivo de la batería. Algo similar ocurre con los huecos del material tipo 'P' y el polo negativo de la misma. De esta forma

dichos materiales quedan agotados rápidamente.

Al no existir portadores libres, tampoco existe circulación de corriente. Se dice, en este caso, que el diodo está polarizado en inversa y puede ser considerado como un circuito abierto.

Veamos ahora que ocurre en la juntura desde el punto de vista de las bandas de energía.

Cada tipo de material posee sus respectivas bandas de conducción y valencia pero, éstas no

se ubican a idénticas distancias del núcleo. Dado que el material tipo 'P' está contaminado

con átomos trivalentes, que tienen una carga de +3, atraen en menor medida a las bandas

que el material tipo 'N' cuyos átomos poseen una carga de +5.

Esto implica que ambas bandas estarán a distintas distancia una de la otra en la juntura, en

un diodo sin polarización como se indica en la figura:

Cuando el diodo es polarizado exteriormente se forma un "puente" entre estas bandas que

permite el paso de los electrones y huecos por sus respectivas bandas.

2.2.1: LA ESTRUCTURA DE UN CRISTAL

Estructura geométrica que se produce cuando se combinan los átomos de un determinado

elemento, o un conjunto de elementos. En electrónica, el cristal más utilizado es el de

silicio, en él, cada átomo de silicio tiene cuatro vecinos a los que se une mediante los

llamados enlaces covalentes. Este hecho conduce a una configuración especial llamada

(35)

..

.

o

C)

• #, o

(' <'' () ("' •

<'-

"'

o

o

o

.

l' (', <)

"'

e,

o

e

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o

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e

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' •

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o

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4

e

..

o

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C'

�· � C' <' ( ('

.

e

(' ( () {

e

r

e

<' ( e,

(" ('

("

'

Figura 2.3 Fotografia de un cristal.

2.2.2: TIPOS DE DIODOS

2.2.2.1: DIODO BARITT

(Del inglés: BARrier lnjected Transit Time). Diodo semejante al diodo IMPATT donde los

portadores de carga llamados a atravesar la región de deplexión no provienen de una

avalancha sino que son engendrados por inyección de portadores minoritarios en uniones

polarizadas en el sentido de la conducción.

2.2.2.2: DIODO DE AVALANCHA

Diodo de rectificación en el que, mediante una técnica apropiada, se reparte la ruptura

inversa, debida al fenómeno de avalancha, en todo el volumen de la unión. El diodo

soporta, así, grandes corrientes en conducción inversa sin destruirse.

2.2.2.3: DIODO DE CAP A CID AD VARIABLE (V ARACTOR O V ARICAP)

Diodo semiconductor con polarización inversa cuya capacidad entre los terminales

(36)

2.2.2.4: DIODO DE CONMUTACIÓN

Diodo semiconductor diseñado para presentar una transición rápida entre el estado de

conducción y el estado de bloqueo, y a la inversa.

2.2.2.5: DIODO RECTIFICADOR.

Diodo de potencia media o alta que se utiliza para rectificar las corrientes alternas.

2.2.2.6: DIODO SEMICONDUCTOR.

Diodo que permite el paso de la corriente de su zona p, rica en huecos, a su zona n, rica en

electrones.

2.2.2.7: DIODO DE SEÑAL

Diodo semiconductor empleado para la detección o el tratamiento de una señal eléctrica de

baja potencia.

2.2.2.8: DIODO DE UNIÓN

Diodo formado por la unión de un material semiconductor de tipo n y otro_ semiconductor

de tipo p.

2.2.2.9: DIODO ESAKI

Ver diodo túnel

2.2.2.10: DIODOGUNN

Dispositivo semiconductor impropiamente calificado de diodo ya que no contiene una

unión sino una sucesión de tres capas de tipo n más o menos dopadas. En presencia de

campos 'eléctricos elevados, el diodo Gunn es escenario de oscilaciones a muy alta

frecuencia.

2.2.2.11: DIODO IMPATT

(37)

Diodo cuyo funcionamiento asocia la multiplicación por avalancha de los portadores de

carga y su tiempo de propagación en la unión. Esto conduce, para ciertas frecuencias muy

elevadas, a una resistencia negativa que permite utilizar el diodo en modo amplificador o

en modo oscilador.

2.2.2.12: DIODO LÁSER

Diodo electroluminescente (LED) cuya estructura contiene una cavidad óptica y que está

concebido de modo que permita la emisión estimulada, y por tanto la radiación de una

onda luminosa quasi-monocromática y coherente (laser).

2.2.2.13: DIODO PIN

(Del inglés P region-lntrinsic region-N region). Unión pn semiconductora que posee dos

regiones, una fuertemente dopada n, representada como n++, y otra fuertemente dopada p,

representada por p++, y una zona intrínseca de dopado muy débil.

2.2.2.14: DIODO SCHOTTKY

Diodo formado por un contacto entre un semiconductor y un metal, lo que elimina el

almacenamiento de carga y el tiempo de recuperación. Un diodo Schottky puede rectificar

corrientes de frecuencia superior a 300 MHz.

2.2.2.15: DIODO SCHOKLEY

Diodo de cuatro capas p-n-p-n utilizado en los circuitos de conmutación rápida. Además, la

tensión directa de este diodo es más baja que en la de un diodo semiconductor de dos

reg10nes.

2.2.2.16: DIODO TRAPPAT

(Del inglés, TRAPped Plasma Avalanche Transit time)

Diodo de hiperfrecuencia de semiconductores que, cuando su unión se polariza en

avalancha, presenta una resistencia negativa a frecuencias inferiores al dominio de

frecuencias correspondiente al tiempo de tránsito del diodo. Esta resistencia negativa se

(38)

íntima interacción entre el diodo y una cavidad de hiperfrecuencias de resonancias

múltiples.

2.2.2.17: DIODO TÚNEL

Diodo semiconductor que tiene una unión, en la cual se produce el efecto túnel que da

origen a una conductancia diferencial negativa en un cierto intervalo de la característica

corriente-tensión.

La presencia del tramo de resistencia negativa permite su utilización como componente

activo (amplificador/oscilador).

2.2.2.18: DIODO UNITÚNEL

Diodo túnel cuyas corrientes de pico y valle son aproximadamente iguales.

2.2.2.19: DIODOZENER

Diodo optimizado, mediante la elección del índice de dopado, para su funcionamiento en

una región de ruptura inversa, a una tensión ampliamente independiente de la intensidad.

Los diodos Zener se utilizan en reguladores de tensión.

2.2.2.20: DIODO LED

Un diodo LED, acrónimo inglés de Light Emitting Diode (diodo emisor de luz) es un

dispositivo semiconductor que emite luz monocromática cuando se polariza en directa y es

atravesado por la corriente eléctrica. El color depende del material semiconductor

empleado en la construcción del diodo, pudiendo variar desde el ultravioleta, pasando por

el espectro de luz visible, hasta el infrarrojo, recibiendo éstos últimos la denominación de

diodos IRED (lnfra-Red Emitting Diode ).

El dispositivo semiconductor está comúnmente encapsulado en una cubierta de plástico de

mayor resistencia que las de vidrio que usualmente se emplean en las lámparas

incandescentes. Aunque el plástico puede estar coloreado, es sólo por razones estéticas, ya

(39)

Para obtener una buena intensidad luminosa debe escogerse bien la corriente que atraviesa el LED; el voltaje de operación va desde 1,5 hasta 2,2 voltios aproximadamente, y la gama de intensidades que debe circular por él va desde 1 O hasta 20 mA en los diodos de color rojo, y de 20 a 40 mA para los otros LEDs.

El primer diodo LED que emitía en el espectro visible fue desarrollado por el ingeniero de General Electric Nick Holonvak en 1962.

2.3: LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN CON PUENTE DE DIODOS (PUENTE DEGRAETZ)

Este rectificador de doble onda es muy usado ya que elimina la necesidad de tener que emplear transformadores con secundario dividido (más voluminosos y pesados). El esquema de una fuente de alimentación simple que use este tipo de rectificador es el siguiente:

Tensión de red

Tr

---o+

�---I-

_._

-c--�

de

Figura 2.4 Fuente con puente de diodos.

El puente consigue reconducir el paso de la corriente eléctrica haciendo que en cada

semiciclo de la tensión del secundario del transformador siempre circule por la carga en el

mismo sentido ( de eso trata la retificación).

La tensión inversa máxima que ha de soportar cada diodo del puente rectificador es tan

sólo igual al valor de tensión máxima entregado por el secundario del transformador. En

(40)

misma que en el caso del rectificador de doble onda con transformador con secundario

dividido.

2.4: LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN SIMPLE SIMÉTRICA CON PUENTE DE DIODOS

Es posible conseguir una fuente de alimentación simple de este tipo si se emplea un

transformador con secundario dividido:

Tensión de red

Tr

---o+

C1

�---t---0 �

C2

Tensión de salida simétrica

Figura 2.5 Fuente simple simétrica con puente de diodos .

220v 9v

.---. On

1N4004

r

¡

Bat

7805

o�---

5v

Gnd

(41)

Observando la fuente se comprenderá mejor el funcionamiento de este sistema. Por un lado

la corriente alterna de 220v (o la que haya en su red domiciliaria) es aislada y reducida en

tensión por el transformador, cuyo secundario es de 9V por 300mA. La alterna resultante

es rectificada por el puente de diodos y filtrada inicialmente por el capacitor de 2200µF.

Entre sus bornes hay 12V aproximados de continua, los cuales se emplean para manejar la

bobina del relé. Los dos diodos 1N4004 hacen que, por un lado, la batería no active el relé

(evitando que los displays se iluminen sin tensión de red) y, por el otro lado, que la batería

no se sobrecargue con la tensión proporcionada por la fuente.

2.5: TECNOLOGÍA LEO/OLED

En directa, todos los diodos emiten una cierta cantidad de radiación cuando los pares

electrón-hueco se recombinan, es decir, cuando los electrones caen desde la banda de

conducción (de mayor energía) a la banda de valencia (de menor energía). Indudablemente,

la frecuencia de la radiación emitida y, por ende, su color, dependerá de la altura de la

banda prohibida (diferencias de energía entre las bandas de conducción y valencia), es

decir, de los materiales empleados. Los diodos convencionales, de silicio o germanio,

emiten radiación infrarroja muy alejada del espectro visible. Sin embargo, con materiales

especiales pueden conseguirse longitudes de onda visibles.

Los diodos LEO e IRED, además tienen geometrías especiales para evitar que la radiación

emitida sea reabsorbida por el material circundante del propio diodo, lo que sucede en los

convencionales.

(42)

Compuestos empleados en la construcción de diodos LEO.

Compuesto I Color

!Arseniuro de galio (GaAs) jlnfrarrojo

Free. 940nm �A-rse- _ni_u_ -ro_de_g_ _al_-ioy_ _a_lum- -in_i_o ____ l�R-o

-jo_e _in_rr_a_ _rr-o-jo----r

l

�9���--

-(AIGaAs)

R ojo, naranja y

Arseniuro fosfuro de galio (GaAsP) amarillo

!Fosfuro de galio (GaP) !verde

!Nitruro de galio (GaN) !verde

!Seleniuro de zinc (ZnSe) jAzul

INitruro de galio e indio (lnGaN) !Azul

!carburo de Silicio (SiC) jAzul

!Diamante (C) jUltravioleta

jSilicio (Si) !En desarrollo

Tabla 2.1 Compuestos usados en la construcción de diodos LED.

\630nm -- ·-1555nm

\525nm

j450nm

1480nm

1

Los primeros diodos construidos fueron los diodos infrarrojos y de color rojo, permitiendo

el desarrollo tecnológico posterior la construcción de diodos para longitudes de onda cada

vez menores. En particular, los diodos azules fueron desarrollados a finales de los 90 por

Shuji Nakamura, añadiéndose a los rojos y verdes desarrollados con anterioridad, lo que

permitió, por combinación de los mismos, la obtención de luz blanca. El diodo de seleniuro

de zinc puede emitir también luz blanca si se mezcla la luz azul que emite con la roja y

verde creada por fotoluminiscencia. La más reciente innovación en el ámbito de la

tecnología LED son los diodos ultravioletas, que se han empleado con éxito en la

producción de luz blanca al emplearse para iluminar materiales fluorescentes.

Tanto los diodos azules como los ultravioletas son caros respecto de los más comunes

(rojo, verde, amarillo e infrarrojo), siendo por ello menos empleados en las aplicaciones

comerciales.

Los LED comerciales típicos están diseñados para potencias del orden de los 30 a 60 mW.

En tomo a 1999 se introdujeron en el mercado diodos capaces de trabajar con potencias de

1 W para uso continuo; estos diodos tienen matrices semiconductoras de dimensiones

n:iucho mayores para poder soportar tales potencias e incorporan aletas metálicas para

(43)

potencias de 5 W, con eficiencias en tomo a 60 lm /W, es decir, el equivalente a una

lámpara incandescente de 50 W. De continuar esta progresión, en el futuro será posible el

empleo de diodos LED en la iluminación.

El comienzo del siglo XXI ha visto aparecer los diodos OLED (diodos LED orgánicos),

fabricados con materiales polímeros orgánicos semiconductores. Aunque la eficiencia

lograda con estos dispositivos está lejos de la de los diodos inorgánicos, su fabricación

promete ser considerablemente más barata que la de aquellos, siendo además posible

depositar gran cantidad de diodos sobre cualquier superficie empleando técnicas de pintado

para crear pantallas a color.

2.6: APLICACIONES

Los diodos infrarrojos (IRED) se emplean desde mediados del siglo XX en mandos a

distancia de televisores, habiéndose generalizado su uso en otros electrodomésticos como

equipos de aire acondicionado, equipos de música, etc. y en general para aplicaciones de

control remoto, así como en dispositivos detectores.

Los diodos LED se emplean con profusión en todo tipo de indicadores de estado

(encendido/apagado) en dispositivos de señalización (de tráfico, de emergencia, etc.) y en

paneles informativos ( el mayor del mundo, del NASDAQ, tiene 36,6 metros de altura y

está en Times Square, Maniatan). También se emplean en el alumbrado de pantallas de

cristal líquido de teléfonos móviles, calculadoras, agendas electrónicas, etc., así como en

bicicletas y usos similares. Existen además impresoras LED.

(44)

2.7:

TRANSISTORES

Se podría decir que son los "responsables" de la revolución electrónica actual. Es la base

de toda la tecnología moderna, ya que permitió armar equipos con tamaños y consumos

reducidos, cosa imposible de lograr en los antiguos aparatos valvulares. Cuando el

transistor pudo comprimirse todavía más y encapsularse por cantidades en pequeñas

pastillas, nació el microchip, y el resto es historia. Posee tres patas de contactos: base,

emisor y colector. Su esencia radica en dos funciones principales: por un lado permite, de

forma estática, habilitar o cortar el paso de la corriente entre emisor y colector, de acuerdo

con lo que una señal de mando ordene a la base; por otra parte, es muy utilizado como

amplificador de señales de cualquier tipo.

Su estructura se basa en tres cristales de silicio, que se polarizan según la forma en que se

conecten las patas correspondientes a cada uno. A su vez, los transistores se catalogan en

dos grupos principales: NPN y PNP. Para explicarlo de una manera sencilla, podemos

decir que la nomenclatura de NPN o PNP se asigna al transistor dependiendo de la

polaridad que éste brinda. Dicha polaridad está relacionada con el sentido en que la

corriente circula entre las patas base y el emisor. En los transistores NPN la corriente está

habilitada para circular entrando por la base y saliendo por el emisor, bloqueándose cuando

intenta hacerlo a la inversa. Es lo contrario al caso de los transistores PNP, en donde

circula sólo desde el emisor hasta la base.

El transistor es la contracción de transfer resistor, es decir, de resistencia de transferencia.

Es un dispositivo electrónico semiconductor que se utiliza como amplificador o

conmutador electrónico. Es un componente clave en toda la electrónica moderna, donde es

ampliamente utilizado formando parte de conmutadores electrónicos, puertas lógicas,

memorias de ordenadores y otros dispositivos. En el caso de circuitos analógicos los

transistores son utilizados como amplificadores.

Se le considera el sustituto de la válvula termoiónica de tres electrodos o triódo, el

transistor bipolar fue inventado en los Laboratorios Bell de USA en Diciembre de 194 7 por

(45)

Sus inventores, John Bardeen, William Bradford Shockley y Walter Brattain, lo llamaron

así por la propiedad que tiene de cambiar la resistencia al paso de la corriente eléctrica

entre el emisor y el colector.

El transistor bipolar tiene tres partes, como el triodo. Una que emite portadores (emisor),

otra que los recibe o recolecta (colector) y la tercera, que esta intercalada entre las dos

primeras, modula el paso de dichos portadores (base).

Su funcionamiento es análogo al del tríodo, por lo que es aconsejable leer lo que se dice de

las válvulas y el transistor.

En los transistores bipolares, una pequeña señal eléctrica aplicada entre la base y emisor

modula la corriente que circula entre emisor y colector. La señal base-emisor puede ser

muy pequeña en comparación con el emisor-colector. La corriente de emisor-colector es

aproximadamente de la misma forma que la base-emisor pero amplificada en un factor de

amplificación "Beta".

El transistor se utiliza, por tanto, como amplificador. Además, como todo amplificador

puede oscilar, puede usarse como oscilador, también como rectificador y como

conmutador on-off.

El transistor también funciona, por tanto, como un interruptor electrónico, siendo esta

propiedad aplicada en la electrónica en el diseño de algunos tipos de memorias y de otros

circuitos como controladores de motores de DC y de pasos.

2.7.1: TIPOS DE TRANSISTOR

Existen distintos tipos de transistores, de los cuales la clasificación más aceptada consiste

en dividirlos en transistores bipolares o BJT (bipolar junction transistor) y transistores de

efecto de campo o FET (field effect transistor). La familia de los transistores de efecto de

campo es a su vez bastante amplia, englobando los JFET, MOSFET, MISFET, etc.

La diferencia básica entre ambos tipos de transistor radica en la forma en que se controla el

flujo de corriente. En los transistores bipolares, que poseen una baja impedancia de

(46)

en el caso de los transistores de efecto de campo, que poseen una alta impedancia, es

mediante voltaje (tensión de puerta).

2.7.1.1: TRANSISTORES BIPOLARES (BJT - BIPOLAR JUNCTION

TRANSISTOR)

Los símbolos esquemáticos para los BJT de tipo PNP y NPN. B=Base, C=Collector y

E=Emmiter, se muestran en las figuras.

Los transistores bipolares surgen de la unión de tres cristales de semiconductor con dopajes

diferentes e intercambiados. Se puede tener por tanto transistores PNP o NPN.

Tecnológicamente se desarrollaron antes que los de efecto de campo o FET.

Los transistores bipolares se usan generalmente en electrónica analógica. También en

algunas aplicaciones de electrónica digital como la tecnología TTL o BICMOS.

Los MOSFET tienen en común con los FET su ausencia de cargas en las placas metálicas

así como un solo flujo de campo. Suelen venir integrados en capas de arreglos con

polivalencia de 3 a 4 capas. Trabajan, a menor rango que los BICMOS y los PIMOS.

2.7.1.2: TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO (FET - FIELD-EFFECT

TRANSISTOR)

Los transistores de efecto de campo o FET; los más conocidos son los JFET (Junction

Field Effect Transistor), MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor FET) y MISFET (Metal­

Insulator-Semiconductor FET).

p-channel

n-channel

Figure

Figura 1.2 Fuente con transformador de secundario dividido.
Figura 1.5 Muestra de las tensiones presentadas en la fuente.
Figura 1.6 Muestra de las corrientes del circuito.
Figura 1. 7 Muestra la tensión de rizado.
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Referencias

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